發(fā)布時(shí)間：2020-06-15 13:07

【摘要】：稻-油和稻-麥兩熟制模式是長江中下游地區(qū)的主要種植模式,其特點(diǎn)為土壤粘重板結(jié),秸稈留茬高,密度大,且前茬作物收獲后,為了搶農(nóng)時(shí),秸稈還田難度大。該工況下作業(yè)時(shí),傳統(tǒng)旋耕機(jī)存在作業(yè)質(zhì)量不理想和刀軸易纏繞的問題;帶螺旋橫刀的秸稈還田耕整機(jī)雖解決了傳統(tǒng)旋耕機(jī)存在的問題,但旱地作業(yè)功耗大,更適用于水田作業(yè)。針對(duì)以上問題,本文研究了水稻莖稈切割特性;基于此研究,設(shè)計(jì)了滑切-剪切組合式秸稈還田刀片,并研制了六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī);基于圓錐貫入阻力和單軸無側(cè)限壓縮方法標(biāo)定了粘濕水稻土離散元參數(shù);建立了土壤-整機(jī)-秸稈的離散元模型,分析了土壤顆粒位移、秸稈位移和刀片受力;改進(jìn)優(yōu)化了六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥,并通過田間試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)優(yōu)化后整機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證。主要研究結(jié)論包括:(1)無刀片支撐單根水稻莖稈切割時(shí),滑切角60°下單位截面積切割力峰值雖然較小,但切割功耗較大,而滑切角45°下單位截面積切割功耗最小,且與滑切角60°時(shí)的單位截面積切割力峰值無顯著性差異,因此,滑切角選取45°左右適宜。有刀片支撐單根水稻莖稈切割時(shí),滑切角30°下單位截面積切割力峰值最小值較滑切角45°、60°下單位截面積切割力峰值最小值大30.9%,且隨著切割速度的增加,該差值逐漸減小,單位截面積切割功耗最小值較滑切角45°、60°下單位截面積切割功耗最小值低31.7%,因此,滑切角選取30°左右適宜。利用快速切割試驗(yàn)裝置對(duì)上述關(guān)于無刀片支撐時(shí)滑切角選擇的合理性進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,無刀片支撐切割時(shí)滑切角的選擇是合理的。(2)設(shè)計(jì)了一種滑切-剪切組合式秸稈還田刀片;依據(jù)刀片切割秸稈過程和前期對(duì)滑切角與切割功耗關(guān)系的研究,參考國家標(biāo)準(zhǔn),以滿足長江中下游兩熟制地區(qū)水稻、小麥和油菜播種農(nóng)藝要求的前提下降低作業(yè)功耗為目的,確定了滑切-剪切組合式秸稈還田刀片關(guān)鍵參數(shù)初始值;建立了土壤離散元模型,以刀輥消耗功率為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)離散元模型主要參數(shù)土壤-土壤恢復(fù)系數(shù)、土壤-土壤靜摩擦系數(shù)和土壤-土壤滾動(dòng)摩擦系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定;基于標(biāo)定后土壤離散元模型,對(duì)滑切-剪切組合式秸稈還田刀片關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真分析,得到了最佳關(guān)鍵參數(shù)值。田間試驗(yàn)結(jié)果表明,安裝有滑切-剪切組合式秸稈還田刀片的耕整機(jī)碎土率、秸稈粉碎率、秸稈掩埋率、平整度和功耗平均值分別為86.5%、85.0%、87.5%、2.8cm和31.1kW,滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和長江中下游兩熟制地區(qū)水稻、小麥和油菜播種農(nóng)藝要求;與傳統(tǒng)旋耕刀片對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示,滑切-剪切組合式秸稈還田刀片秸稈粉碎率提高2.1%,功耗降低3.7%,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)目的,滿足設(shè)計(jì)要求。(3)設(shè)計(jì)了一種等滑切角二次切刀和六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥;分析計(jì)算了切土節(jié)距、作業(yè)耕深和溝底凸起高度,從而確定了刀輥轉(zhuǎn)速、耕深和旋耕速比等作業(yè)參數(shù)的范圍。田間試驗(yàn)結(jié)果顯示,各因素對(duì)秸稈掩埋率和秸稈粉碎率的影響顯著性由大到小分別為耕深、作業(yè)速度、刀輥轉(zhuǎn)速和刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、耕深,對(duì)碎土率和功耗的影響顯著性由大到小分別為刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、耕深和刀輥轉(zhuǎn)速、耕深、作業(yè)速度;各因素交互作用對(duì)秸稈掩埋率和秸稈粉碎率的影響較碎土率和功耗大,其中,秸稈掩埋率隨耕深和作業(yè)速度的增大均呈先增大后減小的趨勢(shì),在耕深為14.7cm、作業(yè)速度為0.71m/s時(shí)達(dá)到最大值;秸稈粉碎率隨耕深和作業(yè)速度的增加也呈先增大后減小的趨勢(shì),在耕深為14.2cm、作業(yè)速度為0.74m/s時(shí)達(dá)到最大值。對(duì)應(yīng)用響應(yīng)面法分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果為功耗31.9kW,秸稈掩埋率93.1%,秸稈粉碎率87.5%,碎土率78.3%,與軟件預(yù)測(cè)值誤差分別為4.7%、1.4%、1.9%和2.6%。與課題組前期研制的水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果顯示,水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)秸稈掩埋率和功耗較六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)高8.8%和2.3%,但秸稈粉碎率和碎土率較后者分別低3.0%和6.1%。(4)提出了一種基于貫入阻力和單軸無側(cè)限壓縮的粘濕水稻土離散元參數(shù)標(biāo)定方法,標(biāo)定結(jié)果如下,基于圓錐貫入仿真與試驗(yàn)得到滿足要求的標(biāo)定參數(shù)組合共11組,經(jīng)過單軸無側(cè)限壓縮仿真與試驗(yàn)得到其中誤差最小的參數(shù)組合為顆粒半徑4.4mm,靜摩擦系數(shù)0.48,表面能27J·m~(-2)�；谏鲜鰳�(biāo)定參數(shù)建立了土壤-整機(jī)-秸稈離散元模型,仿真分析發(fā)現(xiàn),上層土壤顆粒既有向前拋撒,也有向后拋撒,而中層和底層土壤顆粒以向后拋撒為主;由于刀片的螺旋線排列方式,刀輥對(duì)土壤具有軸推作用,因此,土壤顆粒具有向螺旋線旋向方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì);對(duì)于垂直位移,上層土壤顆粒具有向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),中層和底層土壤顆粒具有向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),所以,六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)有利于土壤的混合。秸稈既有向前的拋撒可能,也有向后的拋撒可能,并具有向整機(jī)兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì);向下運(yùn)動(dòng)位移,即掩埋深度,平均值為9.9cm。刀片受力分析顯示,一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),旋耕刀片和等滑切角二次切刀受力均呈先增大后減小的變化規(guī)律,且在最大耕深處達(dá)到最大值。三個(gè)方向中,Y軸方向受力最大,X軸方向受力最小�；讷@取的刀片受力情況,以左刀輥為研究對(duì)象,建立了六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥有限元模型;應(yīng)用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行仿真,得到了刀輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變和總變形云圖;分析各云圖可得,刀輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)最大應(yīng)力為83.9MPa,發(fā)生在刀座與刀軸焊接處;最大變形量為0.93mm,發(fā)生在旋耕刀片正切刃處,其余變形較小,滿足使用要求。田間試驗(yàn)結(jié)果表明,仿真測(cè)得上層、中層、下層土壤顆粒的橫向位移、縱向位移、垂直位移與試驗(yàn)測(cè)量值誤差分別為4.9%、2.8%、6.4%,5.4%、2.8%、6.5%和8.5%、10.0%、29.9%。橫向擺放秸稈的橫向位移和縱向位移既有正值也有負(fù)值,但垂直位移均為正值;縱向擺放秸稈的橫向位移有正有負(fù),即既有拋向整機(jī)前方的,也有拋向整機(jī)后方的,但以拋向整機(jī)后方秸稈居多,縱向位移和垂直位移均為正值,即秸稈有向整機(jī)內(nèi)側(cè)和土壤下方的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì);傾斜擺放秸稈的橫向位移、縱向位移和垂直位移均為正值,即右刀輥?zhàn)鳂I(yè)區(qū)秸稈具有向整機(jī)內(nèi)側(cè)、后方和下方的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。(5)對(duì)已設(shè)計(jì)六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì),改進(jìn)目的為避免刀輥在含水率較大的粘重板結(jié)土壤中作業(yè)時(shí)易夾土的現(xiàn)象發(fā)生,改進(jìn)的主要措施是調(diào)整等滑切角二次切刀與前一時(shí)刻入土的相鄰秸稈還田刀片之間的夾角,通過分析調(diào)整為55°;田間試驗(yàn)結(jié)果顯示,改進(jìn)后刀輥在低轉(zhuǎn)速作業(yè)時(shí)未出現(xiàn)夾土現(xiàn)象,從而驗(yàn)證了改進(jìn)的合理性。對(duì)比田間試驗(yàn)結(jié)果表明,六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)解決了傳統(tǒng)旋耕機(jī)在水旱輪作模式粘重板結(jié)土壤環(huán)境下秸稈還田作業(yè)質(zhì)量不理想和易纏繞的問題,且功耗較傳統(tǒng)旋耕機(jī)和帶螺旋橫刀的水旱兩用秸稈還田耕整機(jī)低。六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)在水稻茬田和麥茬田旱耕作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果顯示,水稻茬田作業(yè)碎土率和秸稈粉碎率較麥茬田低,但秸稈掩埋率較麥茬田高;此外,兩種田塊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析也可得出,碎土率、秸稈粉碎率和秸稈掩埋率不僅與秸稈還田耕整機(jī)作業(yè)參數(shù)有關(guān),而且與秸稈和土壤特性也有著密不可分的關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S224.29
【圖文】：

垂直切割分別低10%和20%（Igathinathaneetal2010）。為了優(yōu)化刀片設(shè)計(jì)，Sunil K.Mathanker 等人研究了切割速度和刀片傾斜角對(duì)切割能量的影響，試驗(yàn)裝置如圖1.1 所示。結(jié)果表明：切割比能隨切割速度的增加而增加；當(dāng)傾斜角為60°、切割速度為7.9m/s時(shí)，平均比能最低，是0.26J/mm；當(dāng)?shù)镀瑸橹钡镀�、切割速度�?6.4m/s 時(shí)，平均比能最高，是1.24J/mm；比能與秸稈直徑、秸稈橫截面積呈較好的相關(guān)性；當(dāng)傾斜角為30°、平均切割速度為11.3m/s、秸稈直徑從11mm到17mm變化時(shí)，切割能量在4.5J到15J范圍內(nèi)（Sunilet al 2015）。圖 1.1 能源甘蔗切割試驗(yàn)裝置Fig. 1.1 Energycane cutting test deviceM.NazariGaledar等人通過試驗(yàn)研究分析了含水率和位置對(duì)苜蓿秸稈力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)在4 種含水率（10%、20%、40%和80%）和3 個(gè)位置（頂部、中部和底部）下進(jìn)行，其中，剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置如圖1.2 所示。結(jié)果表明：當(dāng)含水率低于40%時(shí)，秸稈不同位置對(duì)最大直徑、最小直徑、厚度、橫截面積和極矩?zé)o顯著影響；不同含水率下，秸稈頂部、中部、底部的抗拉強(qiáng)度分別為 9.24~26.35MPa、16.31~32.74MPa 和28.88~43.82MPa；最大剪切強(qiáng)度

M.NazariGaledar等人通過試驗(yàn)研究分析了含水率和位置對(duì)苜蓿秸稈力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)在4 種含水率（10%、20%、40%和80%）和3 個(gè)位置（頂部、中部和底部）下進(jìn)行，其中，剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置如圖1.2 所示。結(jié)果表明：當(dāng)含水率低于40%時(shí)，秸稈不同位置對(duì)最大直徑、最小直徑、厚度、橫截面積和極矩?zé)o顯著影響；不同含水率下，秸稈頂部、中部、底部的抗拉強(qiáng)度分別為 9.24~26.35MPa、16.31~32.74MPa 和28.88~43.82MPa；最大剪切強(qiáng)度和剪切能量分別

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 鄭侃;何進(jìn);李洪文;王慶杰;李問盈;;中國北方地區(qū)深松對(duì)小麥玉米產(chǎn)量影響的Meta分析[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年22期

2 沈成;李顯旺;田昆鵬;張彬;黃繼承;陳巧敏;;苧麻莖稈力學(xué)模型的試驗(yàn)分析[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年20期

3 胡良龍;王公仆;凌小燕;王冰;王伯凱;游兆延;;甘薯收獲期藤蔓莖稈的機(jī)械特性[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年09期

4 王金武;王奇;唐漢;周文琪;多天宇;趙藝;;水稻秸稈深埋整稈還田裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2015年09期

5 張喜瑞;甘聲豹;鄭侃;李粵;梁棟;;滾割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還田機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年04期

6 賈洪雷;姜鑫銘;郭明卓;劉曉亮;王立春;;V-L型秸稈粉碎還田刀片設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年01期

7 郭茜;張西良;徐云峰;李萍萍;陳成;吳碩;;藤莖類秸稈專用切割刀片的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2014年24期

8 張居敏;賀小偉;夏俊芳;張順;翟建波;桂鵬;張彪;;高茬秸稈還田耕整機(jī)功耗檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2014年18期

9 杜冬冬;王俊;裘姍姍;;甘藍(lán)根莖部切割部位及方式優(yōu)化試驗(yàn)研究[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2014年12期

10 李永磊;宋建農(nóng);康小軍;董向前;姜洪U

本文編號(hào)：2714460